电赛知识点总结9：压控增益放大器
 
压控增益放大器
1 压控放大器的结构
2 控制电压
2.1 dB线性
2.2 倍数线性
   
3 典型芯片
3.1 TI的VCA810/820
3.2 ADI的ADRF6516/6510
   
4 实战
4.1 题目
4.2 基本思路与实验
4.2.1 压控低通滤波器：
4.2.2 压控带通滤波器：
    
4.3 题目的解决
4.3.1 思路的验证
4.3.2 精确求解
   
  
 

 
压控增益放大器
 
1 压控放大器的结构
 
典型的压控增益放大器结构，它一般包括信号输入端和输岀端，以及增益控制电压输入端。不同的放大器在输入、输出结构上有区别，有单端输入、差分输入，单端输出和差分输出不同的组合。
 
 以AD8336为例，在信号通道上，它分为3个部分：前置放大器PrA，具有两个输入端一个输出端；0dB-60dB的压控衰减器 ATTENUATOR，以及固定34dB的后级放大器。从中可看出，压控增益环节是靠压控衰减器实现的。
 
 
2 控制电压
 
2.1 dB线性
 
多数压控增益放大器满足dB线性。所谓的dB线性，是指压控增益放大器的增益，以dB为单位与外部加载的控制电压成线性关系。即：
 
$$A(\mathrm{d}\mathrm{B})=a_0(\mathrm{d}\mathrm{B})+k{V}_{\mathrm{G}}$$
 
dB线性的AD8337：
 
 
电压在-600mV~600mV变化时，它的增益大约变化了24dB，呈现出一个增益变化比例 Gain Scale=24dB/12V=20dB/V，即每Ⅴ电压变化引起20dB的增益变化。这是我们估算的，不一定准确，查看AD8337数据手册， Gain Scale=19.7dB/V。据图可以写出增益一电压表达式：
 $$A(dB)=12dB+V_{GAIN}\times 19.7dB/V$$
 
2.2 倍数线性
 
所谓的倍数线性，是指压控增益放大器的增益，以倍数为单位与外部加载的控制电压V成线性关系。即：
 
$$A(\mathrm{V}/\mathrm{V})=a_0(\mathrm{V}/mathrmV)+k{V}_G$$
 
LMH6503，是一款倍数线性的压控增益放大器。从图中可看出，当V在-1V到1V变化时，增益差不多从01倍变化到10倍。因此它也存在一个增益变化比例 Gain Scale-(10-01)/2V=4.95/V。据图可估算出下式成l立：
 $$A(V/V)=4.5+4.95\times V_G$$
 
3 典型芯片
 
3.1 TI的VCA810/820
 
VCA810，是款输入直接耦合的（可接受直流输入）压控增益放大器，当控制电压在0V-2V之间时，它的增益从-40dB变到40dB，为dB线性类。为差分输入、单端输出结构，控制电压为单端输入。随着控制电压增加，将使得增益减小，即它属于负控制方向。这有利于实现AGC功能——输出幅度越大，会导致增益越小，迫使输岀幅度趋于稳定。VCA810具有恒定带宽，约为35MHz。结构：
 
 
VCA820带宽更宽，约为150MHz，但是其增益调节范围只有40dB。在使用方法上，VCA820增益变化范围是可以由设计者自行设定的。它的工作流程分为如下几步，第一，将差分输入电压，通过外部电阻$R_G$，转变成内部电流$I_{RG}$，第二，经过一个2倍电流放大器，进入压控的核心，以电流形式输出$I$，最后经运放和外部电阻R的配合
 
 输出电压：
 $$\begin{array}{rl}{V}_{OUT}=I\times R_F& =g\left(V_G\right)\times 2I_{RG}\times R_F=g\left(V_G\right)\times 2\frac{V_{IN+}-V_{IN-}}{R_G}\times R_F\\ & =g\left(V_G\right)\times G_{\max }\times \left(V_{IN+}-V_{IN-}\right)\end{array}$$
 
$G_{max}$称为最大增益，由两个电阻决定，且范围必须在2倍-100倍之间，$g(V_G)$是一个无量纲的的函数，在$V_G$介于0∨-2之间时，近似满足：
 $$g(V_G)=0.01\times 10^{\frac{V_G}{1V}}$$
 即$V_G=2V$时，具有最大增益1倍，$V_G=0V$时，具有最小增益0.01倍，电压调节增益的范围为100倍，即40dB。
 
3.2 ADI的ADRF6516/6510
 
暂时用不到，用到的话再更新
 
4 实战
 
4.1 题目
 
输入为100Hz ~ 5kHz方波，幅度为0.1V~1V。不限制方法，要求输出为3倍输入信号频率的正弦波，幅度与输入方波幅度相同。测试方法为，输入、输出用双通道示波器，以输入触发，要求输出波形与输入波形稳定，且满足3倍同幅度要求。
 
学习与此相关的知识点，至少有三种方案可以实现，设计模块板：
 
基于压控的纯粹模拟电路可变频率滤波器。
基于开关电容的可变频率滤波器。
基于DDS的同步触发解决思路。
 
4.2 基本思路与实验
 
方波傅里叶分解的结果是无数个倍频的正弦波之和，因此一个思路是使用压控滤波器分解出3倍频的正弦波，在进行放大。放大的倍数可以通过理论分析来确定。
 
4.2.1 压控低通滤波器：
 
数据手册中提供的设计电路：
 

 用Multisim搭建仿真电路：
 
 仿真结果：
 
 理论与仿真的对照：取$V_C=-1.4V$，则：
 $$G=10^{-2\left(V_c+1\right)}=6.31$$
 
$$f_P=\frac{G}{2\pi R_{2}C}=64.75kHz$$
 
实际测得的结果：
 
 这就验证了该模型的正确性。
 
4.2.2 压控带通滤波器：
 
数据手册中提供的设计电路：
 
 用Multisim搭建仿真电路：
 
 仿真结果：
 
 这里出现了一个非常神奇的情况，就是当OPA2822选用不同的电源电压的时候（比如±5V和+12V的时候）表现出不同的性质，数据手册上也没有提到这一特性。此外，电路在特征频率处的增益也不为0。由于太过奇怪，所以没有用这个电路继续做下去。将OPA2822替换为OPA820：
 

 得到的频率特性曲线为：
 
 这明显就正常了很多。
 
理论与仿真的对照：取$V_C=-1.2V$，则：
 $$f_0=\frac{10^{-(V_c+1)}}{2\pi RC}=16.26KHz$$
 仿真的结果为：
 
 两者是一致的。
 
$$BW=\frac{1}{2\pi RC}=10.26KHz$$
 不知道这里的带宽的含义是什么，但是根据仿真结果猜测是-23dB的带宽：
 
 
$$Q=n\cdot 10^{-(V_c+1)}=24.01$$
 
品质因数的实际含义：
 
 因此：
 
$$f_H-f_L=\frac{f_0}{Q}=0.677KHz$$
 
仿真的结果为：
 
 两者的结果是一致的
 
4.3 题目的解决
 
用上面搭建的带通滤波器来实现题目
 
4.3.1 思路的验证
 
首先我们做一个实验，输入1KHz的方波，看看能不能得到3KHz的正弦波，如果成功的话，再在这个电路的基础上进行改进，选定参数：
 
$$f_0=\frac{10^{-(V_c+1)}}{2\pi RC}=3KHz$$
 
$$BW=\frac{1}{2\pi RC}=500Hz$$
 
$$Q=n\cdot 10^{-(V_c+1)}=300$$
 
则：$V_c=-1.78$，$RC=3.18\times 10^{-4}$，$n=6$。不妨取电感为$0.47\mu F$，则$R=677\Omega$，$nR=40.1K\Omega$
 
电路图如下：
 
 仿真结果如下：
 

 
 这和我们的理论分析是一致的
 
在输入接上方波信号。Multisim的方波信号发生器有点奇怪（也有可能是我用错了），就是参数里分为正脉冲和负脉冲以及直流偏置，占空比对应的是正负脉冲占半个周期的比例。我设置的参数如下：
 
 这样可以产生1KHz的方波。
 
输出的频率：
 
 
输出的波形：
 
 可以看到，能够比较准确地满足题目要求
 
4.3.2 精确求解
 
现在我们固定电路中的电阻电容，求解不同频率下压控电压源的电压
 
假如输入信号的频率为$f$，则：
 $$\begin{gathered} f_0=\frac{10^{-(V_c+1)}}{2\pi RC}=3f \\ {V}_c=-{\log }_{10}(6\times 10^{-3}f)-1 \end{gathered}$$

 

  

   
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